Development of interlayer based thin-film nanofibrous composite membranes adjusted by functionalized carbon nanotubes for effectual water purification

Abstract

Drinkable water supply is one of the fundamental human prerequisites all over the world. Due to the population expansion, the changes in the global climate, and water degradation, The requirement for freshwater increases with time around the world. Based on the reported calculations, except for 2.5% of existence global water, which is classified in the potable water range for humans, 70% of the remaining freshwater (FW) is frozen. Due to recent reports, more than 700 million people worldwide have not been accessed clean water. Ascribed to the severe FW demands, which have been observed in some developing countries and sub-Saharan African countries, the water treatment technologies must be enforced in these overwhelmed countries. Nanoscience and nanotechnology are other novel solutions to water treatment technology problems. Ascribed to nanomaterials properties, including high aspect ratio, reactivity, adjustable pore volume, hydrophilic, hydrophobic, and electrostatic interactions, they have been utilized in numerous types of applications. Multiple types of batteries, optics, fuel cells, sensors, electrics, thermoelectric devices, pharmaceuticals, and cosmetics are some industries that have used nanomaterials to improve their products. Moreover, nanotechnology has been performed in economically unconventional water sources, resolving contaminant-free water for humans, and suggesting many solutions to alleviate needs with regard to reducing scarcity or removing contamination. For example, there are filters that remove pesticides from drinking water using nanochemistry. At the same time, due to the multidisciplinary feature of membrane technology and essential advantages of membrane science technology, such as being clean energy, the ability of energy-saving, high-quality products, and system versatility, it has been applied in multiple applications. The power of membrane technology to replace other purification systems, including distillation and ion exchange systems, has been distinguished as other membrane technology's benefits. Furthermore, because of the forward osmosis (FO) and nanofiltration (NF), membranes' excellent features such as energy conversion, low-cost procedure, and high water recovery ability have received much more attention in wastewater treatment, water purification, and brackish water desalination over the last decade. The electrospinning device generally consists of a high voltage power supply, a supply unit, and a grounded collector. The feed solution is sent to the feed end by a pump. An electric field is created by a high-voltage power supply connected to the supply terminal. As the applied voltage increases, the electrical forces overcome the viscoelastic forces of the solution at the feed end. After a critical voltage, a jet formation is observed at the supply end. The bubbler solution diffuses in the electrical field and accumulates randomly on the collecting plate in microscopic diameter fibers. The solvent in the solution evaporates before or after the fibers are collected in the container. Among the factors affecting the nanofiber production by electrospinning method are the type of polymer to be obtained, conductivity and dielectric properties, the solvent used, the viscosity of the feed solution, the distance between the feed unit and the collector, the feed rate (flow rate), the voltage used. More than 100 polymers can be electrospinning, and the most preferred among these polymers in nanofiber membrane construction are; polyacrylonitrile (PAN), poly(ethylene oxide) (PEO), polystyrene (PS), Nylon-6, poly(vinyl alcohol) (PVA), poly(ε-caprolactone) (PCL) and polycarbonate. PVA is a water-soluble, non-toxic, and biocompatible polyhydroxy polymer with high chemical resistance and thermal stability among these polymers. It is known that PVA easily interacts with other organic and inorganic materials. However, PVA's applications are limited due to its hydrophilic nature. Therefore, it must be modified to minimize dissolution, mainly used in aqueous applications such as filtration and adsorption. Chemical crosslinking of PVA nanofibers with dialdehydes, dicarboxylic acids, or dianhydride is advantageous in becoming insoluble in all solvents and increasing their thermal and chemical properties. Polymeric thin-film composites are essential types of compounds applied in various practical applications, including surface coatings and modifications, adsorption and immobilization, membrane technologies, and low surface energy interfaces. Also, the inherent internal concentration polarization (ICP), which causes osmotic driving force's decline, is another major problem of conventional TFC membranes which has been challenged for several years. Moreover, biological fouling is another disadvantage that limits the conventional TFC membranes' performance in multiple usages. Due to the biological fouling of TFC type membranes, microorganisms and micropollutants, which require reproduction, easily stick to the membrane's surface and cause a significant reduction of FO membranes' stability and durability. In order to break the trade-off between permeability and selectivity of TFC membranes and obtain membranes with balanced permeability and rejection performance and excellent durability, triple-layered thin film composite (TFC) forward osmosis (FO) membranes fabricated by introducing an interlayer on the porous electrospun membranes before interfacial polymerization (IP) procedure. Introducing an interlayer on the electrospun substrate overcomes the conventional TFC membranes' limitations and causes synthesizing controlled polyamide (PA) layer and improving the IP process. Carbon nanotubes (CNTs), cellulose nanocrystal, and cadmium hydroxide nano-strands are some of the nanomaterials that have been introduced as an interlayer in TFC types of membranes. The adopted interlayers develop the barrier selective layer's structure and control the IP procedure. Due to the CNT's ideal characteristics, such as large specific surface area (SSA) and excellent mechanical stability, CNTs are distinguished as superior nanomaterials that have been performed as interlayers in TFC membranes. Triple-layered TFC membranes with CNT interlayer enhance the PA layer formation with defect-free and ultrathin structure and promote the membrane's permeation ability, even rejecting monovalent and divalent ions. The membranes were utilized in this research are thin-film nanofibrous composite membranes with hydrolyzed multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) as an interlayer. First of all, MWCNTs had been acid-treated in the presence of sulfuric (H2SO4) and nitric (HNO3) acids. Secondly, the different amounts of hydrolyzed MWCNTs were dispersed in the distilled water using ultrasonication and then introduced as an interlayer onto the porous polyacrylonitrile (PAN) electrospun membranes by vacuum filtration procedure. Finally, TFC membranes were prepared to utilize the IP procedure. In this study, MPD and TMC solutions had been performed as aqueous and organic phases to begin the IP proceeding. The prepared membranes had been tested in dead-end filtration systems to investigate the membranes' performance in salt rejections. Also, these interlayer-based TFC membranes had been applied in the dye removal from industrial wastewaters and compared to the conventional TFC type of membranes in their filtration performance.

İçilebilir suyun temini, tüm dünyada temel insani ön koşullardan biridir. Nüfus artışı, küresel iklimdeki değişiklikler ve sulardaki bozulmalar nedeniyle tatlı su ihtiyacı tüm dünyada zamanla artmaktadır. Rapor edilen hesaplamalara göre, insanlar için içme suyu olarak sınıflandırılan küresel suyun %2,5'i dışında kalan tatlı suyun (FW) %70'i donmuş halde bulunmaktadır. Son raporlara göre, dünya çapında 700 milyondan fazla kişi temiz suya erişememektedir. Bazı gelişmekte olan ülkelerde ve Sahra altı Afrika ülkelerinde gözlemlenen temiz suya olan şiddetli talep, bu ülkelerde su arıtma teknolojilerinin uygulanması gerekliliğini zorunlu kılmıştır. Nanobilim ve nanoteknoloji, su arıtma teknolojisi sorunlarına yönelik yeni geliştirilmiş çözümlerdir. Yüksek en-boy oranı, reaktivite, ayarlanabilir gözenek hacmi, hidrofilik, hidrofobik ve elektrostatik etkileşimler gibi özellikleri, nanomalzemelerin çok sayıda uygulamada kullanılmalarına olanak sağlamıştır. Farklı tiplerdeki piller, optik bilimi, yakıt hücreleri, sensörler, elektrik, termoelektrik cihazlar, ilaç ve kozmetik gibi alanlar, ürünlerini geliştirmek için nanomalzemeleri kullanan endüstrilerden bazılarıdır. Ayrıca nanoteknoloji, alışılmışın dışındaki su kaynaklarını kullanarak insanlar için kirletici içermeyen su sorununu ekonomik bir şekilde çözmüş ve kıtlığın azaltılması veya kontaminasyonun ortadan kaldırılması ile ilgili olan ihtiyaçları hafifletmek adına çözümler sunmaktadır. Örneğin, nanokimya kullanarak pestisitleri içme suyundan uzaklaştıran filtreler bulunmaktadır. Bununla birlikte membran teknolojisi, multidisipliner özelliği ve membran bilim teknolojisinin temiz enerjili olması, enerji tasarrufu sağlaması, yüksek kaliteli ürünler içermesi ve sistem çok yönlülüğü gibi önemli avantajları nedeniyle pek çok alanda uygulanmıştır. Damıtma ve iyon değiştirme sistemleri de dahil olmak üzere diğer arıtma sistemlerinin yerini alma gücü, membran teknolojisini diğer membran teknolojilerinden ayıran faydalı bir özelliktir. Ayrıca, ileri ozmoz (FO) ve nanofiltrasyon (NF) membranlarının enerji dönüşümü, düşük maliyetli prosedür ve suyun yüksek geri kazanımı kabiliyeti gibi mükemmel özellikleri nedeniyle atık su arıtımında, suyun saflaştırılmasında ve tuzlu suyun tuzdan arındırılmasında son on yılda çok daha fazla ilgi görmüştür. Elektroeğirme cihazı genellikle yüksek voltajlı bir güç kaynağı, bir besleme ünitesi ve topraklanmış bir kollektörden oluşur. Besleme çözeltisi, bir pompa tarafından besleme ucuna gönderilir. Besleme terminaline bağlı yüksek voltajlı bir güç kaynağı tarafından bir elektrik alanı oluşturulur. Uygulanan voltaj arttıkça, elektrik kuvvetleri besleme ucundaki çözeltinin viskoelastik kuvvetlerini zayıflatır. Kritik bir voltajdan sonra, besleme ucunda bir jet oluşumu gözlenir. Fıskiye çözeltisi elektrik alanında yayılır ve mikroskobik çaplı lifler toplama plakası üzerinde rastgele birikir. Çözeltideki çözücü, lifler kapta toplanmadan önce veya toplandıktan sonra buharlaşır. Elektroeğirme yöntemi ile nanolif üretimini etkileyen faktörler arasında elde edilecek polimerin türü, iletkenlik ve dielektrik özellikleri, kullanılan solvent, besleme çözeltisinin viskozitesi, besleme ünitesi ile toplayıcı arasındaki mesafe, besleme hızı (akış hızı) ve kullanılan voltaj sayılabilir. 100'den fazla polimer çeşidiyle elektrospinning yapılabilir ve bu polimerler arasında nanofiber membran yapımında en çok tercih edilenler; poliakrilonitril (PAN), poli(etilen oksit) (PEO), polistiren (PS), Naylon-6, poli(vinil alkol) (PVA), poli(ε-kaprolakton) (PCL) ve polikarbonattır. PVA, bu polimerler arasında yüksek kimyasal dirence ve termal stabiliteye sahip, suda çözünebilen, toksik olmayan ve biyouyumlu bir polihidroksi polimerdir. PVA'nın diğer organik ve inorganik maddelerle kolayca etkileştiği bilinmektedir. Ancak, hidrofilik yapısı nedeniyle PVA'nın uygulamaları sınırlıdır. Bu nedenle, genel olarak filtrasyon ve adsorpsiyon gibi sulu uygulamalarda çözünmeyi en aza indirecek şekilde modifiye edilmelidir. PVA nanoliflerinin dialdehitler, dikarboksilik asitler veya dianhidrit ile kimyasal olarak çapraz bağlanması, PVA'nın tüm çözücülerde çözünemez hale gelmesi ve termal ve kimyasal özelliklerinin artması gibi avantajlar sağlar. Polimerik ince film kompozitler, yüzey kaplamaları ve modifikasyonları, adsorpsiyon ve immobilizasyon, membran teknolojileri ve düşük yüzey enerjili arayüzler dahil olmak üzere çeşitli pratik uygulamalarda kullanılan temel bileşik türleridir. Ayrıca, ozmotik itici gücün azalmasına neden olan içsel iç konsantrasyon polarizasyonu (ICP), geleneksel TFC membranlarının karşısındaki bir başka önemli sorundur. Ayrıca biyolojik kirlenme, geleneksel TFC membranlarının çoklu kullanımlarda performansını sınırlayan başka bir dezavantajdır. TFC tipi membranların biyolojik olarak kirlenmesi nedeniyle üreme gerektiren mikroorganizmalar ve mikro kirleticiler membran yüzeyine kolayca yapışarak FO membranların stabilite ve dayanıklılığının önemli ölçüde azalmasına neden olur. TFC membranların geçirgenliği ve seçiciliği arasındaki dengeyi kırmak ve dengeli geçirgenlik ve reddetme performansına ve mükemmel dayanıklılığa sahip membranlar elde etmek için, üç katmanlı ince film kompozit (TFC) ileri ozmoz (FO) membranlar, arayüzey polimerizasyon (IP) prosedüründen önce gözenekli elektrospun membranları üzerine bir ara katman eklenerek üretilir. Elektrospun substrat üzerine bir ara katmanın eklenmesi, geleneksel TFC membranlarının sınırlamalarını ortadan kaldırır ve kontrollü poliamid (PA) katmanının sentezlenmesine ve IP prosesinin iyileştirilmesine neden olur. Karbon nanotüpler (CNT), selüloz nanokristalleri ve kadmiyum hidroksit nano iplikleri, TFC tipli membranlarda ara katman olarak kullanılan nanomalzemelerden bazılarıdır. Kabul edilen ara katmanlar, bariyer seçici katmanın yapısını geliştirir ve IP prosedürünü kontrol eder. Geniş spesifik yüzey alanı (SSA) ve mükemmel mekanik stabilite gibi ideal özellikleri nedeniyle CNT'ler, TFC membranlarında ara katmanlar olarak kullanılan üstün nanomalzemeler olarak diğer nanomalzemelerden ayrılır. CNT ara katmanına sahip üç katmanlı TFC membranları, hatasız ve ultra ince yapısıyla PA katmanı oluşumunu geliştirir ve tek değerli ve çift değerli iyonları bile reddederek zarın geçirgenliğini destekler. Bu araştırmada kullanılan membranlar, ara katmanı hidrolize çok duvarlı karbon nanotüpler (MWCNT) içeren ince film nanolifli kompozit membranlardır. İlk olarak, MWCNT'ler sülfürik (H2SO4) ve nitrik (HNO3) asit içeren asit çözeltileriyle muamele edilmiştir. İkinci olarak, farklı miktarlarda hidrolize MWCNT'ler ultrasonikasyon yardımıyla saf su içinde çözdürülmüş ve daha sonra vakumlu filtrasyon prosedürü ile gözenekli poliakrilonitril (PAN) elektrospun membranlar üzerine bir ara katman olarak yerleştirilmiştir. Son olarak, IP prosedürü kullanılarak TFC membranları hazırlanmıştır. Bu çalışmada IP işlemine başlamak için MPD ve TMC çözeltileri sulu ve organik fazlar olarak kullanılmıştır. Hazırlanan membranlar, membranların tuz reddindeki performansını araştırmak için çıkmaz filtrasyon sistemlerinde test edilmiştir. Ayrıca, bu ara katman bazlı TFC membranlar, endüstriyel atık sulardan boyanın uzaklaştırılmasında uygulanmış ve filtrasyon performansları açısından geleneksel TFC tipi membranlarla karşılaştırılmıştır.